（计算机软件与理论专业论文）基于定性仿真的复杂仿真系统概念模型验证.pdf

中国科学技术大学硕十学位论文 摘要 复杂仿真系统评估是个动态过程，而复杂仿真系统概念模型评估方法则是评 估过程中重要的问题，可以保障复杂仿真系统概念模型能够作为仿真系统开发人 员设计和实现复杂仿真系统的重要基础。概念模型是由静态描述与动态描述两部 分组成。静态部分的内容比较容易理解和检查，动态部分的内容很难通过阅读式 地审查发现其中瑕疵，因此建立概念模型动态部分的可执行模型验证很有意义。 与其它模型相比，概念模型更加接近于自然语言的模型表述方法，很难构造精确 定量模型。 定性仿真( q u a l i t a t i v es i m u l a t i o n ) 是以非数字手段处理信息输入、建模、行 为分析和结果输出等仿真环节，通过定性模型推导系统的定性行为描述。与数字 仿真相比，它的最主要特色在于：不必要建立精确的数学模型，能够处理不精确、 不确定、不完全知识，并产生所需结果。 本文提出一种基于定性建模以及模型检测的相关理论对概念模型动态部分 进行评估的全新方法。第一步建立概念模型定性模型，由q s i m 仿真算法，生成 动态部分的行为树模型；接着利用c t l 时序逻辑来形式化描述概念模型待检验 生质；第三步将行为树模型转化为k r i p k e 变迁结构，利用语义方法来验证此结 匈是否满足c t l 时序逻辑所表达的性质：最后利用检验结果实现对概念模型的 硷证。 键词：复杂仿真系统，概念模型评估，定性仿真，模型检测 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee v a l u a t i o no fc o m p l e xs i m u l a t i o ns y s t e m si sad y n a m i cp r o c e s s ，w h i l e c o n c e p t u a lm o d e le v a l u a t i o ni sav e r yi m p o r t a n ti s s u ei nt h a tp r o c e s s ，w h i c hc a n e n s u r ed e v e l o p e rt od e s i g na n da c h i e v eac o m p l e xs i m u l a t i o ns y s t e m c o n c e p t u a l m o d e li sc o m p o s e do fs t a t i c d e s c r i p t i o na n dd y n a m i cd e s c r i p t i o n i t se a s yt o u n d e r s t a n da n dc h e c kt h es t a t i cp a r t ，b u ti ti sh a r dt of i n df a u l t sb yr e a d i n gi nt h e d y n a m i cp a r t s oc o n s t r u c t i n ge x e c u t a b l em o d e lo fc o n c e p t u a lm o d e li sm e a n i n g f u l c o m p a r i n gw i t ho t h e rm o d e l s ，c o n c e p t u a lm o d e li s ak i n do fe x p r e s s i o nt h a ti sc l o s e t on a t u r el a n g u a g e ，e x a c tq u a n t i t a t i v em o d e li sn o te a s i l yt oc o n s t r u c t q u a l i t a t i v es i m u l a t i o ni san o nn u m e r i cm e t h o dt oi n p u ti n f o r m a t i o n ，m o d e la s y s t e m ，a n a l y z et h eb e h a v i o ra n do u t p u tt h er e s u l t s i ta d d r e s s e sas i m p l ei n f e r e n c e m e t h o dt os o l v eap r o b l e md i r e c t l yi naq u a l i t a t i v ew a y a n di ti sg u a r a n t e e dt o c a p t u r ea l lq u a l i t a t i v e l yd i s t i n c tb e h a v i o r so ft h es y s t e m w eh a v ea d o p t e dac o m p o n e n tc o n n e c t i o nm o d e l i n gs c h e m et h a tc o m p i l e s d e f i n e dc o n c e p t u a lm o d e l st oq s i mc o n s t r a i n tr e p r e s e m sf o rb e h a v i o rg e n e r a t i o n c c h a sd e f i n e dc o m p o n e n ti nt w op a r t s ：t h ei n t e r f a c ea n dt h ei m p l e m e n t t h e nq s i m c o n s t r a i n tr e p r e s e n t sf o rb e h a v i o rg e n e r a t i o ni sc o m p i l e df r o md e f i n e dc o n c e p t u a l m o d e l sb yc o m b i n i n gt h ei n t e r f a c ev a r i a b l e s 。w i t hp r o p e r t i e so fc o n c e p t u a lm o d e l f o r m a l l yd e s c r i b e db yt h et e m p o r a ll o g i cc t l ，t h e nc o n c e p t u a lm o d e l c a i lb e e v a l u a t e db yc o m b i n i n ga ni m p l e m e n t e d ，s e m a n t i ca p p r o a c h ，m o d e l c h e c k i n g a l g o r i t h m f o rt h e p r o p e r t i e s w i t hac o r r e s p o n d i n gk r i p k es t r u c t u r e ，w h i c hi s t r a n s f o r m e df r o mt h eb e h a v i o rg e n e r a t i o na b o v e k e y w o r d ：c o m p l e x s i m u l a t i o n s y s t e m ，c o n c e p t u a lm o d e lv a l i d a t i o n ，q u a l i t a t i v e s i m u l a t i o n ，m o d e lc h e c k i n g i i 中国科学技术大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 仿真系统是以相似理论、控制理论、计算机技术、信息技术及其应用领域的 专业为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用数学模型或部分实物， 对实际的或设想的系统进行动态试验研究。仿真系统以实际系统为原型，根据实 际系统的某些属性、关系或功能，人为地建立与原型相似的模型进行实验，通过 研究模型揭示原型的形态特征和本质，从而达到认识和干预实际系统的目的。由 于系统仿真技术的应用进一步拓宽并日趋成熟。目前，仿真系统己广泛应用在 军事、航空航天、电力、化工等众多领域，取得了很大的经济效益和社会效益。 目前，仿真系统的一个重要发展就是由军用转向国民经济各个方面的应用。一方 面系统仿真应用到越来越多的生产领域，另一方面仿真系统己扩展到工程应用生 命周期的全过程，即新系统、新产品研究开发等方面。 仿真系统软件作为仿真系统的核心，其性能决定了仿真系统的质量。随着计 算机、信息和控制技术的发展，实际系统引入新的控制系统以提高系统的自动化 程度和可靠性，出现了多平台联合控制，即被仿真对象更加复杂，相应的仿真系 统的复杂程度也大幅度增加。因此，这类复杂系统的仿真系统软件开发的信息源 更加复杂而不确定，用户要求仿真系统复现的范围扩大、仿真的功能由以前的单 一型转向综合型仿真。采用传统的软件工程过程模型难以在实际系统信息复杂而 不明确的情况下进行仿真软件开发，不能及时的发现和解决存在仿真软件中的问 题，导致仿真软件的开发周期长，质量难以保证，开发风险增加。 复杂仿真系统科学研究与应用的最主要问题之一，就是迫切需要研究并解决 仿真系统可信度评估问题。仿真结果是否可信，具有多高的可信程度来满足仿真 系统应用目标的需要，多大程度上帮助有关人员进行正确分析和决策，利用仿真 结果决策风险有多大，这些都是仿真系统的开发者和使用者非常关心的问题，也 是决定仿真系统是否具有应用价值的决定性问题。这些问题就是复杂仿真系统评 中国科学技术大学硕士学位论文 估所要解决的基本问题：使用有效的评估方法和工具，来获取仿真系统可信度评 价，保证复杂仿真系统具有足够的可信度满足应用的需要。复杂仿真系统研究开 发和应用过程中不确定因素不断增加，使得复杂仿真系统开发与应用的风险越来 越大，如果再不开展有效的复杂仿真系统评估理论和方法的研究与应用，将会使 复杂仿真系统的应用存在非常大的风险。 其中复杂仿真系统概念模型是仿真系统应用者与开发者之间信息桥梁，能够 更加规范有效地定义仿真的开发和设计要求。复杂仿真系统概念模型评估方法是 评估过程中重要的问题，必须对概念模型的充分性、正确性、一致性等进行充分 的评估。 定性仿真正是处理信息不完备系统的有效手段n 儿引。1 9 8 3 年x e r o x 实验室 的s e e l yb r o w n 和j o h nd ek l e e r 发表有关定性仿真的第一篇论文“aq u a l i t a t i v e p h y s i c sb a s e do nc o n f l u e n c e ”，产生了巨大反响，揭开了定性仿真研究的序幕。 k u i p e r s 于1 9 8 6 年提出的q s i m 算法为定性仿真的发展奠定了基础。 模型检测是一种主要的形式化验证方法。玎h 1 ，所谓形式化验证是指从数学上完 各地证明或验证设计实现是否与设计规范一致。e m c l a r k e 等人提出的一种基于 计算树逻辑c t l 和有穷状态并发系统的k r i p k e 结构m = ( s ，r ，l ) 的模型检测己经 走过了十多年的艰苦历程。其基本思想是用c t l 公式表达系统的某些性质，用 k r i p k e 结构表示系统的实现。通过遍历k r i p k e 结构来检测时序逻辑公式的正确 性。模型检测的优点是完全自动化，如果系统不满足给定的性质，检测结果可以 给出反例，从而帮助设计人员找出设计错误。由于模型检测方法在通讯协议和硬 件系统的验证等方面取得了成功，该方法近年来得到了广泛关注。 1 2 本文主要研究内容 在研读了大量国内外相关研究论文之后，本文提出了一套新颖的，基于定性 建模以及模型检测的相关理论对概念模型进行评估的方法。第一步建立概念模型 定性模型，由q s i m 仿真算法，生成动态部分的行为树模型：接着利用c t l 时 序逻辑来形式化描述概念模型待检验性质；第三步将行为树模型转化为k r i p k e 2 中国科学技术大学硕士学位论文 变迁结构，利用语义方法来验证此结构是否满足c t l 时序逻辑所表达的性质； 最后利用检验结果实现对概念模型的验证。 全文的组织如下：第二章介绍了复杂仿真系统中概念模型的相关概念，概念 模型评估在复杂仿真系统中的重要意义，以及h l a 中用于描述复杂仿真系统概 念模型的联邦概念模型f c m 。第三章介绍单元联系建模( c o m p o n e n tc o n n e c t i o n ) 理论，以及与该理论相关的描述系统约束的定性微分方程，给出了基于c c 的构 建f c m 的定性模型和q s i m 仿真的方法。第四章介绍了模型检测理论，详细阐 述了如何将模型检测与q s i m 算法相结合，实现对定性仿真结果的验证。第五章 主要说明了验证f c m 的流程，以及对验证结果的分析。给出了基于定性仿真用 于f c m 验证的系统实现，画出了软件系统结构图。第六章在对全文进行分析总 结的基础上，指出新方法的不足之处以及改进的方向。 在开始后续章节之前，首先描述一下，本文中所用到的一个例子，带循环两 个相级联水槽。该装置由水槽a 、b 和水泵p 构成。水槽a 中水由重力流入b ， b 中水流入p ，水泵p 生成压力将水流入a ，其中存在两处可能的泄漏l e a k a ， l e a k b ，物理装置图如图1 所示。 f of 3 泵p 图1 带循环双级水槽装置图 中国科学技术大学硕士学位论文 其模型示意图如图2 所示： p p u m p 图2 带循环双级水槽示意图 该装置由两个c o m p a r t m e n t ，一个a r r o w 和一个p p u m p 组成。 c o m p a r t m e n t ：表示水槽，包含顶端的流入( 没有反向压力) ，以及底端的流 ( 取决于底端压力，而底端压力取决于水槽中的水容量) 。 a r r o w ：表示没有反向压力的单向流动，在该装置中，用以表明从水槽a 到 水槽b 的直接流动。 p p u m p ：表示恒定的压头，在该装置中，用以表明泵p 。 4 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章复杂仿真系统概念模型概述 随着系统仿真技术的不断发展，系统仿真的应用范围不断扩大，复杂程度不 断提高，分布交互仿真技术、虚拟现实技术、实时仿真技术等若干领域的研究极 大地推动了系统仿真技术进步。作为系统仿真的核心技术之一的建模技术，也面 临着进一步的发展，如何在复杂的系统仿真环境下，提高建模的科学性和可用性， 是我们面临的一个主要问题。现在的仿真建模，主要是一些专业人员在同时具 备对所建模型有着专业性的知识和对计算机编程相当熟练的基础上完成的，最终 完成仿真软件，而实际情况下并非如此，一些对所建模型有着深入了解的专业研 究人员对计算机编程并不熟练，而熟练掌握计算机编程的人员对模型本身的工作 机理并不了解，因此仿真建模的完成需要分两步完成，第一步由专业人员进行第 一次建模，给出数学模型，然后编程人员在此基础上进行第二次建模，给出仿真 模型，而后经过进一步的编程才能完成仿真软件，即便有对两者都很了解的人， 其所编程的模型在今后的修改升级和移交他人时也将会面临大量的困难，所以必 须提供一套仿真模型的高层描述方法，该方法必须建立在一定的理论基础之上， 这样在该描述方法上建立的模型才不会增加建模过程中的误差量，提供一套完备 的概念模型体系就是在高层上描述仿真模型的一种科学有效的方法，所以在建模 过程中用概念模型描述仿真模型是首要的、至关重要的一步。 2 1 复杂仿真系统 2 1 1 仿真系统的组成 仿真系统一般有仿真软件与仿真硬件组成。 ( 1 ) 仿真系统软件 本文的仿真系统软件特指基于操作系统上运行的由仿真开发小组完成的系 统模型软件、支持仿真系统的专用软件( 或应用软件) 、数据库等软件的集合。系 统模型软件一般由被仿真系统对象数学模型、仿真算法、系统运行流程等组成。 中国科学技术大学硕士学位论文 专用软件包含专用算法、专用接口通信程序。数据库包括基于数据库开发系统建 立的各种信息数据库。 ( 2 ) 仿真系统硬件 仿真系统硬件可分为仿真计算机、接口、连接电缆、非标设备、信号产生与 激励设备、数据采集与记录显示设备、通信指挥监控设备、能源动力系统、系统 测试设备及各类辅助设备等。 2 1 2 仿真系统的分类 仿真系统有多种分类方法，依据不同的分类标准，仿真系统可进行不同的分 类。按实现方法可分为数字仿真( 计算机仿真) 、半实物仿真( 硬件在回路中的仿 真) 、物理仿真( 全实物仿真) 系统。数字仿真即计算机仿真，是利用系统数学模型 在计算机上进行仿真试验的方法。半实物仿真是在进行系统仿真试验时，将部 分实物接人仿真试验回路，用计算机和物理效应设备实现系统模型的方法。物理 仿真是系统模型全部采用物理效应模型进行系统仿真试验的方法，这种方法要求 物理效应模型与系统原型有相似的物理属性。对后两种仿真，当人作为操作人员 决策人员进入仿真回路内进行仿真时，称为人在回路中的仿真。另外，仿真系 统的实现方法从所取的时间标尺t i ( 模型时间) 与自然时间( 原型) 时间标尺t 2 之 间的比例关系可将仿真系统分为实时仿真系统和非实时仿真系统。若t 1 t 2 = i 则称为实时仿真系统，否则称为非实时仿真系统。非实时仿真系统又分为欠实时 t 1 t 2 l 和超实时t 1 t 2 i 两种，它们主要用于数学仿真。 按系统组成规模可分为大、中、小型仿真系统。例如，导弹武器系统制导回 路的仿真可分为大回路与小回路的仿真系统，舵回路、控制回路与自导回路的仿 真系统，中制导与末制导仿真系统等。按半实物仿真系统的物理性质可分为射频 制导、光学制导、水声制导、惯性制导仿真。它们还可以细分为微波、毫米波、 可见光、红外、紫外制导等仿真系统。按武器系统的组成规模可分为单武器平台 仿真系统和多武器平台仿真系统。 根据系统仿真技术在产品( 系统) 的不同研制阶段所起的作用不同，可组建不 6 中国科学技术大学硕士学位论文 同规模的仿真系统，如在航空航天领域，可分为型号发展论证仿真系统、研制试 验仿真系统、型号产品性能评定与鉴定仿真系统、作战使用训练仿真系统等。根 据系统仿真技术服务的对象领域的不同又可分为航空航天仿真系统、核电站仿 真系统、化工仿真系统、交通仿真系统、水利仿真系统等。 2 1 3 复杂仿真系统 大量工程实践证明，对复杂系统建立复杂仿真系统，应用传统的机理建模方 法几乎无法建立其数学模型。即使建立了数学模型，也往往会由于模型是一个高 阶、非线性、时变的复杂微分方程组而不能应用。当系统的复杂性增长时，对系 统做出精确而有意义的描述的能力将降低，直到达到一个阀值，一旦超过这个阀 值，精确性和有意义性将变成两个互相排斥的特性。 精确性和有意义性的互斥性使许多问题无法用精确的方法来描述和解决，而 定性处理方法却往往可以方便的解决。因此，随着定性仿真理论的发展和研究的 深入，使得定性仿真理论在信息处理、自动控制、系统仿真和人工智能等领域受 到重视并得到了应用。应用定性仿真理论对复杂系统建模比传统的建模方法要柔 软得多，即使对不是充分了解的对象，也能在一定程度上予以处理。因此，采用 定性建模方法，有可能较好地解决上述复杂仿真系统的建模难题。 2 2 几种概念模型的描述方法 概念模型是一种与其它模型相比，更加接近于自然语言的模型表述方法。由 于仿真系统中模型本身的复杂程度，所以就决定了系统仿真的概念模型的复杂程 度，如何形成一套科学、合理的系统仿真的概念模型的表述语言是一个关键问题， 也是国内外研究标准建模过程中亟待解决的问题。 2 2 1e - r 描述方法 在概念模型的描述上已经有了些方法，其中e r ( e n t i t y - r e l a t i o n s h i p ) 方法 是p p c h e n 于1 9 7 6 年提出的实体一联系方法，由于这种方法简单、实用，所 以在概念模型的描述方面被广泛应用。e r 方法使用的工具称为e r 图，e r 7 中国科学技术大学硕士学位论文 方法主要包括实体、关系和属性3 。 在e r 图中用方框表示实体，将实体的名称写在框内。 用菱形框表示实体之间的联系，框内写入联系名，并用连线与相关的实体相 连接，联系包括一对一、一对多和多对多三种不同的类型，一对一是指对于实体 集a 中的一个实体，仅有实体集b 中一个实体通过该联系与之相连，反之亦然， 一对多是指对于一个实体集a 中的一个实体，有实体集b 中的若干个实体通过 该联系与之相连，反之，实体集b 中的若干个实体通过该联系仅与实体集a 中 的一个实体相连，多对多是指对于实体a 中的若干个实体，有实体集b 中的若 干个实体与之相连，反之亦然。 属性用椭圆框表示，框内写入属性名，并用连线连到相应实体，不仅实体拥 有属性，联系也可以有属性。 尽管e r 图中反映出了实体及其之间的联系，但是缺点是缺乏对实体及其联 系的更加明确的描述手段，无法清楚、准确的描述出复杂的仿真系统模型结构。 2 2 2u m l ( 统一建模语言) u m l ( 统一建模语言) 是o m g ( 国际对象管理组织) 推荐的一种建模语言陆。u m l 从多个方面描述了研究对象的模型特点。 u m l 的类图描述了仿真对象各个类之间的静态关系，每个类的名称( 标示) 、 属性( 可以说明对象的状态) 、操作( 说明对象的行为) ，都可以在类图中表达清楚。 u m l 的交互图说明了在某一个场景下各个类的对象实例之间按照时间变化的 行为特征，也就是实例之间的行为变化顺序，或者说是对象之间发生关系的顺序。 协作图描述了在某一个场景下对象( 实例) 之间的关系。 u m l 还有一个非常重要的图就是用例图。用例图一般用来描述了用户的需求， 表达了用户对仿真应用的功能和性能需求。一般来说，用例图采用文本说明，u m l 的用例图是文本说明的补充。 u m l 的状态图是对某一个对象行为特征的详细说明，一般只对复杂的对象行 为用状态图进行说明。 8 中国科学技术大学硕士学位论文 类图中的每一个类，可以使用u m l 进行充分的说明。类图中的每一个属性可 以定义成不同的常见的类型，例如整数，还可以定义成各种复杂类型。因此，概念 模型所要求的实体、过程、参数、行为等，均可以在类图中表达。 采用u m l 表达概念模型的主要问题，用户必须熟悉u m l , 的概念，了解各个图 之间的关系。而且由于各个图之间有层次和嵌套关系。因此，模型校验者必须熟 悉所有的图，了解所有的关系，才能对系统进行评价。这对行业专家( 模型校验者) 提出了较大的挑战。 2 2 3f c m ( 联邦概念模型) 分布交互仿真技术的发展使得大规模复杂系统的仿真成为可能。分布交互仿 真技术从产生( s i m n e 计划) 到d i s 2 x 、i e e e1 2 7 8 x 系列协议和a l s p 协议的制 定，己经发展到今天的h l a 3 。h l a 是一个开放的体系结构，其主要目的是促 进仿真系统间的互操作性，提高仿真系统及其部件的重用能力。互操作性和重用 性是h l a 的两大目标。联邦概念模型( f c m ) 对可重用性有着重要的作用，进行 f c m 的评估是保证可重用性的重要方面。 从面向对象( o o ) 的软件设计者的眼光来看，f c m 类似于传统的对象模型，它 用联邦剧情规范( f s s ) 确定联邦对象，以及这些对象之间的静态( 如i s a 或 p a r t w h o l e 等) 和动态关系( 如对象之间的交互关系及其随时间变化的特性、触发 条件等) ，确定每一个对象的行为特性( 如属性、交互参数等) 。f c m 将具体的对象 和交互分别抽象成对象类和交互类，对象类的定义只包括对象状态的属性定义， 交互类的定义也只包含描绘交互的参数。交互是指对象所发出的会对另一个对象 状态产生影响的动作( 这中影响通过交换该“交互”所定义的“参数”并利用计 算而确定的) ，它没有状态只有信息短暂交换。结构表及后面的交互类结构表中 对涉及到类的各项描述均采用b n f 规则。 1 、常用的b n f 结构 ：。0 6 5 5 3 6 ； ：= i 卜”i f i 一”) ； ：= ”a z a z ； 9 中国科学技术大学硕士学位论文 ：2 ”0 9 ： ：= l 一”| f i ”i ； ：= l ； ：= ”愕f f r l f f + i t lt t | | l l t 0 9 ”i l t ：_ ”l i f a z i t 【v i f i a z i i l ”； ：= ” ” ； ：2 ( ”0 1 ”l f 0 2 ”i f f 0 3 ”l f f 0 4 ”m 5 ”| f f 0 6 ”l f l 0 7 ”l f f 0 8 ”l i f 0 9 ”l f i l o ”l f f l l ”l f l l 2 ”) ； ：2 ( ( ”0 ”i i t l ”j l l 2 ”) ) f 3 0 ”j f l 3 1 ”) ； ：= ； ：= ； ：”【t t ； ：= i tf t ， ：= ”1 6 5 5 3 5 ”； ：= ”】t ； ：2 ” ” ； ：= ”u n s i g n e ds h o r t ”| i i s h o r t ”l ”u n s i g n e dl o n g ”l f f l o n g ”l l i d o u b l e ”l ”f l o a t ”l i b o o l e a n ”| i a n y ”| l s t r i n g ”l l l c h a r ”i i i o c t e t ”； 2 、对象类结构表 对象模型的对象类结构是指联邦或成员范围内各对象类之间关系的集合，这 种关系主要是指对象类之间的继承关系，对象类结构表描述了联邦或联邦成员范 围内对象之间的这种继承关系。类与子类的直接关系可采用在对象类结构表相邻 列中包含相关类名的方法来表示，类与子类的非直接关系可通过继承的传递性从 直接关系中得到。用b n f 规则描述如下： ：= ”( c l a s s ( n a m e ” 】l f ) ” 【f f ( d e s c r i p t i o n ” ”) ” ) f t ) ”； ：2l l l l i ! ； l o 中国科学技术大学硕士学位论文 ：= i t t ! i ! ”； ：= i ； ：2 ”( a t t r i b u t e ( n a m e ” 1 1 ) ” f f ( d a t a t y p e ” f f ( c a r d i n a l i t y ” 【 】l i ) ”】 f i ( u n i t s ” 】l t ) ”】 ”( d e s c r i p t i o n ” ”) ”】) ”； ：= t t l t t t ”； ：= ； ：2t t t l f t ”； ：21 1 1 t t t ”； ：= i ! ! li t ”； ：2 ”( c o m p o n e n t ( c l a s s n a m e ” 【 f i ) ( n u m b e r ” ”) ”) ”； ：2 ” ； ：= ”( s u p e r c l a s s ” ”) ”； 比如对于图1 中的循环水槽装置，其f c m 的对象类可以表达为如下格式： ( c l a s s ( n a m e “p l o o p ”) ( d e s c r i p t i o n “t w o c o m p a r t m e n tp u m p e dl o o p ”) ( a t t r i b u t e ( n a m e “t o t a l ”) ( d a t e t y p e “f l o a t ”) ( c o m p o n e n t ( c l a s s n a m e “c o m p a r t m e n t ) ( n u m b e r2 ) 1 1 中国科学技术大学硕士学位论文 ( c l a s s n a m e “a r r o w ”) ( c l a s s n a m e “p p u m p ”) 对象p l o o p 由包含了属。i 生t o t a l ，表示循环装置中水的总容量。2 i c o m p a r t m e n t 对象，分别对应与装置中的水槽a 和水槽b 。 3 、交互类结构表 在h l a 中，交互式指一个成员中的某个或某些对象产生的，能够对其他成员 中的对象产生影响的明确的动作。h l a 用交互类结构表来描述交互实例中类与 子类的关系。在交互类结构表中，交互类的层次结构有不同交互类的一般化或具 体化关系组成。交互参数可以用来记录反映交互实例特点的各种信息。用b n f 规 则可以描述交互类结构表如下： ：2 ”( i n t e r a c t i o n ( n a m e ” 【 i ) ” f t ( d e s c r i p t i o n ” ”) ” ) l i ) ”； ：2 f lt fo ”； ：= t ! t t l ! ”； ：2 l ； ：2 ”( i n t e r a c t i o n m e m b e r ” ”) ”； ：= f l t tt t ”； ：2 ( ”p a r t i c i p a t i n g c l a s s ( c l a s s n a m e ” 【 】i i ) ” ”( p a r t i c i p a n t t y p e ” ”) ”) ”； ：2 ”i n i t i a t i n g ”i l i r e c e i v i n g ”； ：2 ”( a f f e c t e d a t t r i b u t e ( a t t r i b u t e n a m e 】l i ) ” 中国科学技术大学硕士学位论文 f i ( c o m m e n t ” ”) ”】”) ”； ：= v ! fv l ! ”； ：2 ”( p a r a m e t e rm a m e ) ” ( o r d e r ” ”) f i ( d a t a t y p e ” 【 】1 1 ) ” i i ( c a r d i n a l i t y ” 【 】f t ) ”】 f i ( u n i t s ” 】i i ) ”】 i t ( d e s c r i p t i o n ” ”) ” f f ) ”； ：。” ”； ：2 ； ：= ； ：2 ” ”： ：2t t l l l l ”； ：= ” ”； 比如，水槽a 与p p u m p 之间的交互可以定义为如下： ( i n t e r a c t i o n ( n a m e “f l o w _ i n t o _ a ”) ( d e s c r i p t i o n “i n d i c a t e st h ef l o wi n t oc a m p a r t m e n ta ”) ( p a r t i c i p a t i n g c l a s s ( c l a s s n a m e “p p u m p ”) ) ( p a r t i c i p a t i n g t y p ei n i t i a t i n g )、 ( a f f e c t e d a t t r i b u t e ( a t t r i b u t e n a m e “q ”) ( a t t r i b u t e n a m e “p 2 ) ( p a r t i c i p a t i n g c l a s s ( c l a s s n a m e “c a m p a r t m e n t ”) ) ( p a r t i c i p a t i n g t y p er e c e i v i n g ) 中国科学技术大学硕士学位论文 ( a f f e c t e d a t t r i b u t e ( a t t r i b u t e n a m e “i n f l o w ”) ( a t t r i b u t e n a m e “p i n ”) ) 2 3 概念模型在复杂仿真系统中的用途与意义 仿真概念模型主要用途有：为仿真系统的确认和验证提供了途径，该验证专 家根据概念模型要求，确定验证步骤和验证范围：有效提高了对新的或已有的仿 真系统的理解和认识；为仿真用户和开发者之间的沟通提供了良好的渠道；提出 了规范化的仿真领域文本说明要求，有利于仿真应用的开发和重用；概念模型是 系统开发的蓝图，为今后仿真应用的改进提供了便利条件；有利于解决对同一系 统的不同的用户需求之间的矛盾。 概 详 黑产 系统开发者 图3 概念模型在不同阶段的作用 在仿真应用开发的不同阶段，概念模型有不同的表示。一类是针对仿真用户 的，主要是用文字和一些辅助图形表示的，易于理解的概念模型；另外一类是面 向设计的，对软件、硬件等与仿真应用实现上相关的模型表达。我们可以用图3 来表示。 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文 在构造复杂仿真系统模型过程中，概念模型具有多方面的意义阳川： 1 、是一种有效交流的工具，建模人员和仿真系统应用者交流方便。通过它， 应用者可以清楚地解释仿真需求有关的概念和规则；建模人员可以正确把握仿真 需求，从用户要求的侧面比较正确地认识和理解现实系统。 2 、是一种良好的问题求解模式。先从现实系统开发概念模型，再从概念模 型实现仿真模型比从现实系统直接开发仿真模型容易。这种问题的求解模式体现 了分而治之的思想，大大地降低了问题求解的难度。 3 、是一套有效解决问题的办法。通过合理的、必要的假定，限定了系统的 范围，降低了系统的复杂性，建模人员得以认识和把握用户感兴趣的、有关现实 系统的特性和行为，舍弃了与用户仿真需求无关或关系不大的方面。 4 、是仿真模型开发和校核、验证和确认( vv a ) 的基础。仿真模型是否 反映用户的仿真需求，要看它是否正确表达了相应的概念模型；是否反映真实的 现实系统，要看概念模型是否正确表达了现实系统，此二者又是对它确认的依据。 5 、是一种改善仿真系统性能和资源利用效率的方法。以往仿真建模一旦实 现，抽象得到的成果就被扔弃，而过后相同过程和现象的建模又得重新抽象，资 源利用率不高。构造概念模型，用标准的语义语法表达，有利于仿真元素的重用， 同时增强组件的互操作性。 2 4 概念模型验证的重要性 模型验证是确定模型是否确实是研究对象的准确表示。对模型复杂仿真系统 概念模型验证就是对概念模型的充分性、正确性、一致性等进行充分的评估n 引。 复杂仿真系统的开发是一个周期长、涉及任务多、参与人员多的复杂的系统工程， 复杂仿真系统评估是贯穿系统整个生命周期的一项活动，复杂仿真系统评估工作 的目标不是简单地给出复杂仿真系统是否可信的结论，而是通过开展科学、规范、 系统、有效的评估工作，发现复杂仿真系统研究开发过程中全生命周期各阶段存 在的各种问题。概念模型验证重要性，表现为以下两点： 1 、仿真模型是否反映用户的仿真需求，要看它是否正确表达了相应的概念模型； 中国科学技术大学硕士学位论文 是否反映真实的现实系统，要看概念模型是否正确表达了系统，此二者是对仿真模 型确认的依据。 、| 。i 。鎏= j 、 j i ，； ：真实世界 蒜霉瀵鬻 。： o ：。， 。 i z ： i ，叠7 概念模型 j ? 。“。麓蒸爨 簪嚷避? 譬鬻雾、 实 校 图4 概念模型建模过程 2 、复杂仿真系统评估是个动态过程，而复杂仿真系统概念模型评估方法则是评 估过程中重要的问题，可以保障复杂仿真系统概念模型能够作为仿真系统开发人 员设计和实现复杂仿真系统的重要基础。 2 5f c m 验证 本论文受到国家自然科学基金重点资助项目复杂仿真系统评估理论与方法 研究的支持。h l a 是当前复杂仿真系统发展中比较成熟的理论，故在本论文 中，选取h l a 中f c m 联邦概念模型作为验证的基础。 2 6 本章小结 本章主要介绍了仿真系统的定义，一般仿真系统的构成以及复杂仿真系统。 概念模型几种描述形式，简要说明了当前比较成熟的构建复杂仿真系统的方法 h l a ，着重介绍了h l a 中的概念模型f c m 的相关概念，并以具体实例说明。 另外，说明了在复杂仿真系统中，概念模型的用途与意义以及对概念模型进行验 证的重要性。 1 6 中国科学技术大学硕士学位论文 第三章建立f c m 的定性模型和q s i m 仿真 定性建模指的是建立定性物理模型的过程。定性建模过程中关键是描述部分 和整体之间的联系，不同的建模方法对于部分以及部分之间如何联系有不同的理 解。通常，系统部分被称作单元，特定单元之间的联系被称作连接。在单元连接 框架中，建立一个系统模型需要构造一个通用单元库，以及在库中选定单元并描 述它们之间的联系。系统行为可由单元的行为和描述单元之间的联系的附加约束 得出。 c c 是一种单元连接建模语言，遵循和扩展了单元连接建模，支持层次单元定 义和单元抽象【1 4 朋1 。c c 利用q s i m 表述系统行为，在c c 模型的最底层，是一些 原子单元( p r i m i t i v ec o m p o n e n t s ) ，其实现部分被定义为一组q d e 约束方程。 本章将详细介绍c c 建模语言，以及利用c c 构建f c m 的定性模型，最后将 介绍如何利用q s i m 算法将c c 模型转换为定性行为树模型。其过程如图所示： c c 模型 q d e ( 定性 模型) r 行为树模型 模 型 建 立 定 性 仿 真 图5 f c m 行为树模型建立过程 1 7 中国科学技术大学硕士学位论文 3 1 基本概念 3 1 1 可推理函数 可推理函数定义为：对于 以，b r 术，f ：陋，b 】一r 水是可推理函数的充分必要 条件为： ( 1 ) f 在区间，b 】上连续， ( 2 ) f 在区间( 口，b ) 上连续、可微， ( 3 ) 发有有限个奇点， ( 4 ) 极限l i m mf ( f ) 存在，并定义厂( 口) 和厂( 6 ) 等于这些极限值。 3 1 2 路标值 路标值定义为：所谓路标值是可推理函数厂的行为或状态上重要点的集合， 函数厂在这些点上的行为或状态将发生变化。每个可推理函数都和一个有限的 路标值集合相联系，这些路标值应该包括函数厂为0 是的点以及在区间 口，6 】边 界上的点f ( a ) 和f ( b ) 。 3 1 3 可区分时间点 可区分时间点定义为：设是可推理函数， 口，b 】是厂的可区分时间点的 必要条件为：，陋，6 】且( ，) = x ，x 是厂的路标值的边界元素。即可区分时间 点是函数值发生重要变化( 或通过一个路标值或到达一个极限) 的时间点。 一个推理函数有一个有限的可区分时间点集合：a = t o ，。和一个有限 的路标集合：厶 之 厶。下面我们根据参数值与路标值的顺序关系和它的变 化方向来定义函数的定性状态。 中国科学技术大学硕士学位论文 3 1 4 系统定性状态 定性状态定义：如果 乞 0 如果厂( f ) = 0 如尉( ，) 0 例如：q s ( t e m p e r a t u r e ，f i o w ) = 表示当前时刻的温度是3 2 。c 与1 0 0 之间，且正在下降。 由于在两个相邻的可区分时间点之间厂不能通过路标值，f ( f ) 不会改变符 号，所以在相邻的两个可区分时间点间，函数的定性状态为常量。即：如果 a = 气 f l f 。 b 是f 的可区分时间点，任意j ，( 口，b ) f t t ， s 0 。即函数与g 成正比例关系，其单调性一致。 2 n 中国科学技术大学硕士学位论文 ( 2 ) m 一何g 夕为真的充分条件是存在函数h ( o ，其中g 是h 的定义域，厂是 h 的值域，h ，即厂的后继状态是 ，g 的后继状态是 ，h 的 后继状态是 。根据约束a d d ，这个元组应该被过滤掉，因为他= j l z ， 和g 的变